Et hårdt kig på polymerer i cementblanding

Modellering af, hvordan superplastificeringsmidler kan reducere vandandele i cementblandinger, kan hjælpe med at udvikle mere effektive superplastificeringsmidler, samt forbedre betonydelsen, viser den første omfattende undersøgelse foretaget af A*STAR.

Superplastificeringsmidler er polymerer, der fungerer som dispergeringsmidler i cementblandinger. De hindrer sammenlægningen af ​​cementpartiklerne, tillader dramatiske reduktioner i mængden af ​​vand i blandingen uden at påvirke dens flow og bearbejdelighed. Mens noget vand er nødvendigt for at gøre det muligt for cement at hærde til beton gennem hydrering, at reducere andelen af ​​vand i cementblandinger resulterer i stærkere produkter.

I samarbejde med den globale kemivirksomhed, Nippon Shokubai, Jianwei Zheng ved A*STAR Institute of High Performance Computing og kolleger brugte simuleringer af molekylær dynamik til at modellere adsorptionen af ​​tre nye superplastificeringsmidler - polycarboxylatethere (PCE'er) - på overfladen af ​​magnesiumoxidpartikler i en cementblanding.

PCE-baserede superplastificeringsmidler har negativt ladede carboxylsyregrupper i deres polymerskelet, der adsorberer elektrostatisk til partikler i cement såsom magnesiumoxid. De lange polyethylenglycolgrupper fungerer derefter som spacere, forhindrer cementpartiklerne i at klumpe sig. En række tidligere, mindre modelleringsundersøgelser antydede, at tykkelsen af ​​dette adsorberede polymerlag direkte korrelerer med mængden af ​​dispersion, der ses. Zhengs team er det første til at udføre en omfattende modelleringsundersøgelse for at bestemme, hvordan polymerens form påvirker lagkonstruktion og dybde.

"Vi beskriver sammenhængen mellem molekylære strukturer af PCE-type superplastikatorer med polymerkonformation samt adsorptionslagtykkelse i cementporeløsning, " forklarer Zheng. Holdet fandt ud af, at tykkelsen af ​​laget afhænger af, hvordan polymererne oprindeligt orienterer sig mod partikeloverfladen. Dem, der starter vinkelret på overfladen, danner gradvist en hale med en løkke på deres ende. Disse polymerer danner til sidst den ønskede tykkere lag. Derimod dem, der starter parallelt med overfladen, vokser til en hale og resulterer i et tyndere lag.

Holdet planlægger at udføre yderligere simuleringer med forskellige polymere strukturer for at se, om lagdybden kan øges yderligere. "Mere effektive superplastikere kan blive designet i nær fremtid, " siger Zheng. "Effekten af ​​superplastificeringsmidler på cementhydrering vil være under overvejelse i fremtidige modeller."